Биметалл — сплав из двух металлов¶

Биметалл — композиционный материал, состоящий из двух металлов (или сплавов), соединённых между собой неразрывным способом — сваркой, прокаткой, диффузионной пайкой или литьём. Компоненты подбираются так, чтобы сочетать полезные свойства каждого: например, прочность одного металла и коррозионную стойкость другого, либо разные коэффициенты теплового расширения. Биметаллы применяются в приборостроении, машиностроении, электротехнике и бытовой технике.

¶Способы получения

Основные технологии изготовления биметаллов:

• Прокатка — два металла прокатываются вместе под давлением, образуя прочное механическое соединение. Наиболее распространённый промышленный способ.
• Сварка — соединение компонентов взрывом (взрывная сварка), трением или давлением. Взрывная сварка позволяет сочетать трудносвариваемые между собой металлы, например титан со сталью.
• Диффузионная пайка — нагрев под давлением с промежуточным слоем припоя, обеспечивающим химическую связь.
• Литьё — последовательная заливка двух металлов в одну форму.
• Гальваническое осаждение — нанесение тонкого слоя одного металла на поверхность другого.

¶Классификация

По назначению биметаллы делят на две основные группы:

1. Конструкционные — сочетают механическую прочность одного компонента с коррозионной стойкостью, износостойкостью или теплофизическими свойствами другого. Пример: биметалл «сталь — нержавеющая сталь», где углеродистая сталь обеспечивает прочность, а тонкий слой нержавеющей — защиту от коррозии.
2. Термобиметаллы — используют разницу в коэффициентах линейного теплового расширения (КЛТР) компонентов. При изменении температуры такой биметалл изгибается, что позволяет использовать его в качестве температурного датчика и исполнительного элемента.

¶Термобиметаллы

Термобиметалл — наиболее распространённый тип биметалла в приборостроении. Он состоит из двух слоёв с大きく различающимися КЛТР. При нагреве слой с бо́льшим КЛТР расширяется сильнее, и полоса биметалла изгибается в сторону слоя с меньшим расширением.

В качестве материала с высоким КЛТР обычно применяют сплавы на основе меди, алюминия или никеля (например, латунь Л63, монель-металл). Материал с низким КЛТР — инвар (сплав железа с никелем, ~36 % Ni), у которого расширение минимально.

Показатель эффективности термобиметла — удельная чувствительность, измеряемая в мм/м на 10 °C: типичные значения составляют 10–25 мм/м·10 °C.

¶Применение термобиметаллов

• Термостаты — регуляторы температуры в бытовых приборах: утюгах, электроплитах, чайниках, стиральных машинах.
• Термозащиты — предохранители от перегрева двигателей, трансформаторов, аккумуляторов.
• Электрические выключатели — автоматические автоматы защиты от перегрузки в распределительных щитах: при росте тока биметаллическая пластина нагревается, изгибается и размыкает цепь.
• Термометры и регуляторы — в промышленных системах отопления и вентиляции.
• Часовые механизмы — компенсация температурных отклонений в балансире.

¶Конструкционные биметаллы

Конструкционные биметаллы решают задачу экономии дорогих материалов. Вместо массивной детали из нержавеющей стали или титана изготавливают биметалл, где дорогой металл образует лишь рабочий слой.

Примеры:

• Биметаллические полосы «сталь — нержавеющая сталь» — для изготовления посуды, теплообменников, химического оборудования.
• Биметаллические вкладыши — стальные вкладыши с антифрикционным покрытием (бронза, алюминиевый сплав) для подшипников скольжения.
• Биметаллические прокатные валки — стальной корпус с рабочим слоем из чугуна или специального сплава.
• Электротехнические контакты — медная основа с контактной поверхностью из серебра, вольфрама или других металлов.

¶Применение

Биметаллы используются в широком спектте отраслей:

¶Достоинства и ограничения

К достоинствам биметаллов относят:

• снижение расхода дефицитных и дорогих металлов;
• сочетание несовместимых по отдельности свойств;
• малые габариты термоуправляемых элементов;
• простота и надёжность термобиметрических устройств (не требуют источника питания).

Ограничения связаны с риском расслоения при циклических температурных нагрузках, коррозии на границе раздела и ограничениями по выбору пар металлов — не всякие металлы образуют прочное биметаллическое соединение.

¶Историческая справка

Термобиметаллический эффект был открыт в 1766 году английским учёным Джоном Харрисоном, создавшим биметаллическую пластину для компенсации температурных ошибок в морском хронометре H4. Массовое промышленное производство биметаллов началось в XX веке с развитием электротехники и автоматизации.

¶Источники

• ГОСТ 24231-80. Металлы цветные и сплавы. Материалы для получения биметаллов. Общие технические условия.
• Биметаллические термоэлементы: справочник / под ред. В. А. Соколова. — М.: Металлургия.
• Физические основы материаловедения: учебник для вузов / под ред. Ю. А. Осипяна. — М.: Наука.
• Харрисон Дж. Морские хронометры и биметаллическая компенсация. — Лондон, 1767.